The state of the autonomous (vegetative) nervous system and heart rhythm disorders under exercise conditions

Full Text

В процессе проведения стресс-теста в группах практически здоровой молодежи (без аритмии в покое), были выявлены нарушения сердечного ритма (СР) на пике нагрузки. Наиболее частые из них - единичные (парные) наджелудочковые (реже желудочковые) экстрасистолы (2-4 типичных комплекса). Поиск взаимосвязей выявленных нарушений (как в бинарной форме (есть/нет), так и количественно -по числу экстрасистол) с нагрузочными маркерами: мощностью перенесенной нагрузки, средней и максимальной ЧСС вскрыл их отсутствие. В этой связи возникло предположение о вероятной связи нарушений СР с его вегетативным регулированием, изменение которого может быть установлено при исследовании вол новых колебаний длительности динамического ряда кардиоинтервалов. Настоящий подход определяется оптимальной методологией изучения здоровья «здоровых», включающей мониторинг функциональных резервов и донозологи-ческую диагностику в процессе развития адаптационного синдрома [4, 12]. При этом адаптационный потенциал, определяется не столько уровнем активности действующих систем органов, сколько их функциональными резервами и степенью напряжения регуляции, которая характеризуется показателями баланса симпатического и парасимпатического отделов ВНС [2]. В свою очередь моделирование дозированного стресса с регистрацией и анализом ответных адаптационных реак 49 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №4, 2013 г. ций в процессе нагрузочного тестирования позволяет отслеживать реализацию имеющихся резервов и выявлять скрытые нарушения, чреватые внезапной подчас жизнеугрожающей манифестацией. С целью изучения настоящей гипотезы о связи нарушений СР с определёнными изменениями ВНС нами совместно с Садельниковым Б.А. проанализировано 263 кардиоритмограмы (КРГ) максимального нагрузочного тестирования смешанной популяции практически здоровой молодежи (231 человек в возрасте 20±3 лет). Материалы и методы 1. Нагрузочное тестирование. Максимальное велоэргометрическое тестирование осуществлялось по индивидуальному протоколу [7, 11, 14]. Мощность Wl(Ватт) первой ступени длительностью три минуты рассчитывали исходя из величины должного основного обмена (ДОО) в килокалориях по формуле WiCß^^OO χ 0,1 (ДОО определяется по таблице Гарриса-Бенедикта) [7]. В дальнейшем нагрузка ступенчато возрастала каждую минуту на 30 Вт до индивидуального максимума -снижения скорости педалирования ниже 30 оборотов в минуту, определяющего конец нагрузки и начало восстановительного периода длительностью 7 минут. Нагрузочные пробы проводили в первой половине дня с 8 до 12 часов на велоэргометре e-Bike Ergometer (диапазон нагрузки 20-999 Вт). В течение всего времени тестирования посредством кардиоанализатора «ПолиСпектр-12» (Нейрософт, частота квантования 1000 Гц) записывали оцифрованную электрокардиограмму (ЭКГ), из которой в дальнейшем выделяли последовательный ряд R-R интервалов -КРГ, подвергающийся дальнейшей математической обработке (методы 2, 3). 2. Изменчивость КРГ (рис. 1) оценивали в период нарастания ЧСС модулем отклонений от наилучшего линейного тренда и средним квадратичным отклонением от тренда в период стабилизации ЧСС. На участке увеличения ЧСС тенденция отклонений h в совокупности определялась линейной регрессией (c), что давало значение (Т) момента вхождения в интервал трех сигмальных отклонений участка стабилизации ЧСС (d) [10]. Учитывалось время наступления T (от начала тестирования), определяющее общую длительность выявленных изменений со стороны ВНС. 3. Последовательность h (рис. 1), полученная из КРГ вычитанием трендов, пошагово подвергалась быстрому преобразованию Фурье. При этом анализ осуществляли на каждом отрезке длинной - 64 интервала с шагом в 1 интервал по формуле [(n-63) : n], где n - общее число экспериментальных точек КРГ. Мощности нагрузочных спектров, в диапазонах 0.15 - 0.4 Гц (HF) и 0.04 - 0.15 Гц (LF) адекватно моделируются линейной регрессией: УLF(HF)=aX+b, где a - скорость изменчивости, b - постоянная, определяющая среднее значение - параметры математической модели, Х - момент времени от начала нагрузки. При этом значение «Х» в диапазоне LF, (HF) при условии y=0 определяет момент максимального вегетативного контроля СР и является интегральным критерием симпатической (парасимпатической) активности [11]. По значениям LFн и (НБн) оценивали скорость изменчивости симпатической (парасимпатической) активности; LFо и (ИБо) - показатели, отражающие среднее значение симпатической (парасимпатической) активности; tLF (tHF) -время наступления симпатического (парасимпатического) максимума. 4. Изучение смешанной группы испытуемых, включающей и неподготовленную, ведущую преимущественно пассивный образ жизни молодежь, и спортсменов не только различной квалификации, спортивного стажа, амплуа, но и уровня совершенствования, вскрыло необходимость разработки способа ее классификации. В этой связи принципиальная недостаточность субъективного деления выборки на группы по анамнестическому признаку была разрешена кластерным анализом индивидуальных распределений динамических рядов кардиоинтервалов при нагрузочном тестировании. Выделение 3 кластеров (групп) и дальнейшее их изучение определило общие закономерности и особенности вегетативной регуляции сердечной деятельности испытуемых. 50 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №4, 2013 г. 5. Результаты исследования обрабатывали с помощью статистических пакетов Microsoft Excel 7 и Statistica 6.0. Поскольку распределение значений отличалось от нормального, данные представляли в виде 50-го (медианы), 25-го и 75-го перцентиля (Пц), а для их статистической обработки использовали непараметрические методы: корреляционный анализ Spearman, сравнительный анализ Mann-Whitney. Результаты и их обсуждение Объективная классификация смешанной популяции вскрыла ее неоднородность (табл. 1), при которой переносимость нагрузок, длительность и интенсивность изменений показателей ВНС возрастают в ряду 3 -1, достигая максимума в 1 кластере, и характеризуются существенностью различий. Полученные результаты с учетом предварительных исследований позволяют выделить выносливость как основную черту кластерных различий. При этом с ростом переносимости физических нагрузок (W) отмечается ряд характерных изменений со стороны ВНС, проявляющихся как увеличением длительности (Т, tLF, tHF), расширением диапазона (LF^ ЭТн), так и возрастанием симпатической и парасимпатической активности (LFо, HFb) при неизменном доминировании последней (HF). Статистическая однородность линейных критериев активности ВНС в 1, 2 группах определяется включением настоящего адаптационного механизма только в условиях достижения высокого уровня переносимости физических нагрузок. Пограничное значение различий длительности парасимпатического регулирования (отзывчивости СР на парасимпатические влияния) во 2, 3 группах в данном случае, вероятно, определяется насыщением (физиологическим пределом выраженности) исследуемой адаптационной реакции. Известно, что тренировка смешанной (аэробно-анаэробной) выносливости расширяет адаптационные возможности организма, определяя их не только увеличением нагрузочной толерантности, но и существенно облегчая приспособление к принципиально иным экстремальным факторам, способствует выживанию, предупреждая возникновение летальных аритмий [6]. Значительную роль при формировании нагрузочной толерантности приобретает перераспределение активности симпатического и парасимпатического отделов автономной нервной системы организма испытуемых. По данным настоящего исследования парасимпатическое доминирование на фоне усиления вегетативной активности в целом отражает повышение переносимости физических нагрузок. В свою очередь выявленные нарушения СР обусловливаются обратной закономерностью. При минимальной выраженности указанных выше изменений со стороны ВНС (1 кластер) нарушения СР встречается с частотой 36%, при умеренной (2 кластер) - 21%, при максимальной - 8%. Наличие экстрасистолии в 1 - 3 кластерах определенно связано с критерием Т1 (r1-3 = -0.77, -0.61, -0.41; р<0.05), низкочастотной - LF (r1-3 = -0.53, -0.52, -0.36; р<0.05) и высокочастотной - HF (η-3 = - 0.37, -0.47, -0.49; р<0.05) динамикой. Высокий уровень обратной корреляционной взаимосвязи между наличием экстрасистолии и критерием - Т, отражающим выраженность изменений со стороны ВНС, указывает на связь последних с нарушением сердечного ритма. Проявление экстрасистолии в условиях ранней симпато-парасимпатической депрессии не только подтверждает нашу гипотезу об участии вегетативной составляющей в их формировании, но и вскрывает определённый - специфический след этого влияния. При этом преобладание симпатических влияний в 1 группе, уравновешенных парасимпатикой во 2 и доминирование последней в 3 группе определяет принципиальные различия в состоянии адаптационных механизмов организма испытуемых и появление, в связи с этим, нарушений СР. Уровень и динамика порога экстра-систолии, выявленного по среднему значению критерия Т и его доверительному 1 Здесь и далее имеется в виду корреляционная связь по Спирмену. 51 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №4, 2013 г. 0,16 0,14 0,12 0.1 0,08 0.06 0.04 0.02 о Рис. 1. Схема математической модели кардиоритмограммы Ось ординат: OY - отклонения R-R длительностей от наилучшего тренда в секундах; Ось абсцисс: OX - время от начала нагрузки в минутах; h - кривая КРГ без тренда; d - прямая, определяющая уровень 3σ участка стабилизации ЧСС; с - линейная регрессия участка изменчивости ЧСС; Т - точка пересечения прямых «с» и «d»; Т/t - время наступления Т от начала нагрузки Таблица 1 Нагрузочная толерантность и вегетативные маркеры КРГ Г руппа* / Спектр W (Ватт) Т (сек.) LFн LFо ОТн ОТо tLF (мин) tHF (мин) S Пц25 150,0 203,6 -10,74 8,66 -18,98 12,15 3,50 3,89 Пц50 210,0 264,8 -5,00 23,34 -6,62 36,90 3,93 4,51 Пц75 240,0 335,5 -1,83 47,28 -2,53 82,71 4,61 5,73 1 Пц25 90,0 144,5 -6,49 4,54 -12,04 6,45 3,37 3,69 Пц50 120,0 200,2 -2,49 9,94 -3,85 18,00 3,43 4,03 Пц75 150,0 231,2 -1,01 23,67 -0,95 42,01 3,82 4,50 2 Пц25 180,0 202,7 -10,53 7,85 -16,85 12,01 3,50 3,84 Пц50 195,0 252,4 -4,06 16,78 -4,74 27,18 3,99 4,53 Пц75 230,0 307,3 -1,67 36,10 -1,87 64,71 4,68 6,03 M-Wh** 1:2 1:2 1:2 3 Пц25 235,0 323,3 -12,43 20,78 -30,07 38,23 3,88 4,29 Пц50 240,0 356,4 -7,71 32,28 -10,56 67,40 4,24 5,09 Пц75 270,0 413,8 -4,49 53,90 -5,20 163,88 5,01 6,49 M-Wh** 3:2*** * - различия по критерию множественных сравнений Kruskal-Wallis существенны (р<0.05) ** - различия по критерию парных сравнений Mann-Whitney существенны (р<0.05), цифры (1, 2) указывают на отсутствие различий в парах *** - пограничная существенность различий в парах (р=0.05) 1, 2, 3 - исследуемые группы Пц - Перцентиль W - максимум перенесенной нагрузки в Ваттах Т - длительность вегетативного контроля LF (HF) - симпатическая (парасимпатическая) активность, где н - скорость изменчивости, о - среднее значение, t - длительность - уточняющие знаки 52 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №4, 2013 г. интервалу от 123,04 (119,18 - 127,89) секунд в первом до 135,71 (128,79 - 142,64) - во втором и 233,53 (228,74 - 238,32) - в третьем кластере соответствуют их минимальному квартальному уровню и свидетельствуют о возрастании устойчивости СР к экстракардиальным влияниям в условиях формирования выносливости. При этом уменьшается вероятность манифестации аритмии, количество ее эпизодов, увеличивается время до ее возникновения и мощность провоцирующей -потенциально опасной нагрузки. На наш взгляд причины нарушения ритма в кластерных группах имеют принципиально различную основу. В 1 группе, при которой физическая нагрузка, даже на уровне ДОО, вызывает адаптационное перенапряжение, проявляющееся дистрофией миокарда, клеток водителя ритма и проводящей системы требующее метаболических резервов, отсутствующих у нетренированного организма. Во второй группе относительная недостаточность адаптационных механизмов характеризуется несоответствием преодолеваемой физической нагрузки и имеющихся адаптационных резервов. В отличие от первой группы ее мощность существенно превышает ДОО, т.е. уровень первой группы. Пограничная, но статистически существенная прямая связь между нагрузочной мощностью и наличием экстрасистолии (0.38, р<0.05) в данной группе; выявленное в индивидуальной динамике (в группе шесть зависимых пар - КРГ полуторамесячной динамики), а затем и в установочном эксперименте (трехдневная динамика в 4 парах). Отсутствие эпизодов нарушения ритма при снижении на 1 ступень от максимума нагрузочной мощности, свидетельствуют о перегрузочном характере экстрасистолии. Причинами срыва СР в данной ситуации является феномен «наведенного гетерохронизма»: временного несоответствия регуляционноприспособительных (адаптационных) возможностей (в том числе ВНС) мышечной переносимости физической нагрузки. Воз никая у начинающих спортсменов, а также в связи с ранним вхождением в тренировочный график после болезни, иного нагрузочно-временного десинхроноза (длительного перерыва и прочее), проявляясь в том числе батмо-, дромотропной эмансипацией миокарда он чаще всего связан с нарушением медико-педагогического контроля дозирования физической нагрузки. Переносимость околопредельных нагрузок в третьей группе, существенно превышающих ДОО и показатели кластеров сравнения, лишь на первый взгляд не позволяют говорить о недостаточности адаптационных механизмов, которая, тем не менее, развивается, но по несколько иному сценарию (подтвержденному экспериментально) нежели чем во второй группе. Обратная связь между мощностью нагрузки и показателями изменений со стороны ВНС (-0.25; р>0.05), несмотря на статистическую невыразительность свидетельствует, о том что меньшая нагрузка чаще является причиной аритмии. Индивидуальная динамика 7 зависимых пар (полуторамесячная динамика КРГ) подтвердила эту закономерность: в 4 случаях из 7 нарушения СР возникали при меньшей (чем в парном исследовании) нагрузке. Данные обстоятельства, а также торпидность эпизодов нарушения ритма при снижении на 1 ступень от максимума нагрузочной мощности при анализе экспериментальных пар (3 из 5), вскрывают напряженность адаптационных процессов, причина которых опосредуется реакцией организма на систематические перегрузки, т.е. перетре-нированностью. В свою очередь метаболические нарушения миокарда, являющиеся ее следствием знаменуются эмансипацией подавленной в норме функции автоматизма нижележащих отделов проводящей системы. При этом систематическое нарушение медико-педагогического контроля дозирования физической нагрузки в процессе подготовки спортсмена является, пожалуй, единственной причиной сложившейся ситуации. Таким образом, во всех изучаемых кластерах причиной экстрасистолии явля 53 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №4, 2013 г. ется физическая перегрузка. Однако если в первой группе она определяется адаптационной и регуляторной недостаточностью, вызванной привычной гиподинамией, то во 2 и 3 - речь идет о первичной физической перегрузке потребовавшей от организма больших приспособительных возможностей, чем он располагает, явившейся следствием ее неправильного дозирования. При этом если во 2 группе нарушения СР имеют преходящий характер, исчезая при снижении нагрузки, определяя тем самым и обратимость перегрузки то выраженная торпидность нарушений в 3 кластере, опосредуется глубокими нарушениями метаболизма миокарда, возникшими, вероятно, в результате его стрессового повреждения при систематических перегрузках [5]. Последнее вероятно является кардиальным проявлением стрессовой тетрады Селье-Меерсона, формирование и воздействие компонентов которой исследовано в классических работах НИИ общей патологии и патологической физиологии АМН СССР [6]. Некорректное дозирование физической нагрузки, приводящее к выраженному недовосстановлению, перегрузкам, перетренировке является следствием недостаточного внимания, отсутствия знаний или игнорирования в спортивной подготовке физиологических основ адаптации, базирующейся на теории функциональных систем П.К.Анохина [1], дозазависимости влияния физических нагрузок Л.Х. Гаркави [3], обобщенных С.Е. Павловым [9]. Нарушения СР - результат тренировочно-перегрузочного нигилизма свидетельствует о пределе, исчерпанности адаптационных возможностей организма. Четкий систематический индивидуальный мониторинг переносимости физических нагрузок по состоянию ВНС, знание адаптационно-перегрузочной динамики, определенной последовательным изменением вегетативного регулирования, по представленным выше критериям, падением скорости восстановления и лишь затем вскрывающейся нарушениями СР, позволяет не допустить их возникновения, а кроме того не отменяет иных возможностей спортивного совершенствования (биомеханики движения, скорости, силы, восстановления и проч.). При этом только развитие всех необходимых качеств в рамках формирующейся системной организации физиологических функций, позволит им синергично сочетаясь улучшить соревновательный результат при, меньших, но оптимальных физиологических затратах [9]. Кроме того, следует отметить, что максимальная нагрузочная проба, ограниченная 10-12 минутами с целью сохранения нагрузочного кардио-респираторного (газового) баланса [7, 15], является оптимально переносимой для атлетов, соревновательная работа которых находится в тех же временных пределах. Например: 5 км дистанция в легкой атлетике, лыжных гонках и стипль-чезе лишь с достаточной долей погрешности приближаются к этим значениям. В то же время настоящая проба будет в равной степени неспецифична для легкоатлетов специализирующихся на 400, 800, 1500, 3000, 10000 метров, так как тренируемые ими функциональные системы имеют принципиально иные временные характеристики. Безусловно, оказывает влияние и специфика нагрузки, применяемая в тесте (велоэргометрия - специфична исключительно для велосипедистов), во многом определяющая ее переносимость [8, 9]. Иными словами, если изучение адаптационных резервов, здоровья здоровых и предикторов летальности требует от нагрузочного тестирования лишь его предельности, незначительно (но все же определенно) отличаясь по специфике перенесенной нагрузки (велоэргометрия, тредбан), выбор которой в основном определен отработанностью протоколов, привычностью и безопасностью [7], то исследование спортсменов, вне зависимости от цели, выдвигает дополнительные требования, основу которых составляют характеристики тренируемых адаптационных механизмов - длительность (соревновательной) работы и ее специфика. Недоучет настоящих требований может наложить (ги- 54 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №4, 2013 г. пер/гипо) диагностический отпечаток и на трактовку ЭКГ эргометрического тестирования спортсменов ставящего целью объективизацию показателей их адаптационных резервов. Выводы 1. Перераспределение баланса ВНС в пользу парасимпатического доминирования на фоне усиления вегетативной активности в целом отражает улучшение переносимости физических нагрузок организмом человека и повышение его выносливости. 2. Единичная экстрасистолия, возникающая на пике нагрузки, может являться следствие физической перегрузки вне зависимости от уровня развития выносливости. 3. Формирование выносливости способствует увеличению «порога» экстраси-столии: уменьшает вероятность манифестации, увеличивает время до ее возникновения и мощность потенциально опасной нагрузки. 4. Нарушения сердечного ритма, возникающие на пике физической нагрузки, ассоциируют с принципиально различной вегетативной активностью в зависимости от уровня развития выносливости. При этом на минимальном уровне (выносливости) экс-трасистолия возникает на фоне преобладания активности симпатического отдела автономной нервной системы, на высоком -определяется существенным парасимпатическим доминированием. 5. Применение предлагаемых подходов к нагрузочному тестированию в спортивной практике позволит осуществить четкий индивидуальный мониторинг состояния адаптационных механизмов спортсменов, предупредить возникновение перегрузки и ее последствий, способствуя корректному дозированию физических нагрузок и формированию оптимальных, индивидуально-ориентированных планов тренировочного процесса.

References

Supplementary files